El metano de capas de carbón ( CBM o metano de capas de carbón ), [1] gas de capas de carbón o gas de vetas de carbón ( CSG [1] ) es una forma de gas natural extraído de las capas de carbón . [2] En las últimas décadas se ha convertido en una importante fuente de energía en Estados Unidos, Canadá, Australia y otros países.
El término se refiere al metano absorbido en la matriz sólida del carbón. Se le llama 'gas dulce' por su falta de sulfuro de hidrógeno . La presencia de este gas es bien conocida por su aparición en la minería subterránea de carbón, donde presenta un grave riesgo para la seguridad . El metano de un lecho de carbón se diferencia de un yacimiento típico de arenisca u otro depósito de gas convencional, ya que el metano se almacena dentro del carbón mediante un proceso llamado adsorción . El metano se encuentra en un estado casi líquido y recubre el interior de los poros del carbón (llamado matriz). Las fracturas abiertas en el carbón (llamadas tacos) también pueden contener gas libre o pueden estar saturadas con agua. [ cita necesaria ]
A diferencia de gran parte del gas natural procedente de yacimientos convencionales, el metano de las capas de carbón contiene muy pocos hidrocarburos más pesados, como propano o butano , y nada de condensado de gas natural . A menudo contiene hasta un pequeño porcentaje de dióxido de carbono . El metano de las capas de carbón generalmente se forma debido a la maduración térmica del querógeno y la materia orgánica. Sin embargo, en las vetas de carbón con recarga regular de agua subterránea se genera metano por comunidades microbianas que viven in situ . [3] [4]
El metano de las capas de carbón surgió de la ventilación del metano de las vetas de carbón. Se sabe desde hace mucho tiempo que algunos yacimientos de carbón contienen "gaseosos" y, como medida de seguridad, se perforaron pozos en las vetas desde la superficie y se permitió que el metano se ventilara antes de extraerlo.
El metano de las capas de carbón como recurso de gas natural recibió un importante impulso por parte del gobierno federal de Estados Unidos a finales de los años 1970. Los controles federales de precios estaban desalentando la extracción de gas natural al mantener los precios del gas natural por debajo de los niveles del mercado; Al mismo tiempo, el gobierno quería fomentar una mayor producción de gas. El Departamento de Energía de Estados Unidos financió la investigación de varias fuentes de gas no convencionales, incluido el metano de carbón. El metano de las capas de carbón quedó exento de los controles federales de precios y también recibió un crédito fiscal federal.
En Australia, la extracción comercial de gas de veta de carbón comenzó en 1996 en la cuenca Bowen de Queensland . [5]
El gas contenido en el metano de los lechos de carbón es principalmente metano y trazas de etano , nitrógeno , dióxido de carbono y algunos otros gases. Las propiedades intrínsecas del carbón tal como se encuentran en la naturaleza determinan la cantidad de gas que se puede recuperar.
Los yacimientos de metano de capas de carbón se consideran yacimientos de porosidad dual. Los yacimientos de porosidad dual son yacimientos en los que la porosidad relacionada con los listones (fracturas naturales) es responsable del comportamiento del flujo y la porosidad del yacimiento de la matriz es responsable del almacenamiento de gas. La porosidad de un yacimiento de metano en una capa de carbón puede variar entre 10% y 20%; Sin embargo, se estima que la porosidad del yacimiento está en el rango de 0,1% -1% [6]
La capacidad de adsorción del carbón se define como el volumen de gas adsorbido por unidad de masa de carbón, generalmente expresado en SCF ( pies cúbicos estándar , el volumen en condiciones estándar de presión y temperatura) gas/tonelada de carbón. La capacidad de adsorción depende del rango y la calidad del carbón. El rango suele estar entre 100 y 800 SCF/tonelada para la mayoría de las vetas de carbón que se encuentran en los EE. UU. La mayor parte del gas en los lechos de carbón se encuentra en forma adsorbida. Cuando el yacimiento se pone en producción, primero se bombea el agua de los espacios de fractura. Esto conduce a una reducción de la presión que mejora la desorción del gas de la matriz. [7]
La permeabilidad de la fractura actúa como el canal principal para que fluya el gas. Cuanto mayor sea la permeabilidad, mayor será la producción de gas. Para la mayoría de las vetas de carbón que se encuentran en los EE. UU., la permeabilidad se encuentra en el rango de 0,1 a 50 miliDarcys. La permeabilidad de los yacimientos fracturados cambia con la tensión que se les aplica. El carbón muestra una permeabilidad sensible al estrés y este proceso juega un papel importante durante las operaciones de estimulación y producción [8] [ cita necesaria ] . [9] La permeabilidad de la fractura en el yacimiento de metano de lecho de carbón tiende a aumentar con el agotamiento del gas; a diferencia de los embalses convencionales. Este comportamiento único se debe a la contracción del carbón, cuando se libera metano de su matriz, lo que resulta en la apertura de fracturas y una mayor permeabilidad. [10] También se cree que debido a la contracción de la matriz de carbón a presiones más bajas del yacimiento, hay una pérdida de tensión horizontal en el yacimiento que induce la falla in situ del carbón. Tal falla se ha atribuido a una disminución repentina en la permeabilidad de la fractura del yacimiento [11] [9]
El espesor de la formación puede no ser directamente proporcional al volumen de gas producido en algunas áreas. [ cita necesaria ]
Por ejemplo, se ha observado en la cuenca Cherokee en el sureste de Kansas que un pozo con una sola zona de 1 a 2 pies (0,3 a 0,6 m) de área productiva puede producir excelentes tasas de gas, mientras que una formación alternativa con el doble de espesor puede producir casi nada. Algunas formaciones de carbón (y esquisto) pueden tener altas concentraciones de gas independientemente del espesor de la formación, probablemente debido a otros factores de la geología del área. [ cita necesaria ]
La diferencia de presión entre el bloque del pozo y la cara de arena debe ser lo más alta posible como es el caso de cualquier yacimiento productor en general. [ cita necesaria ]
Otros parámetros que afectan incluyen la densidad del carbón, la concentración inicial de la fase gaseosa, la saturación crítica de gas, la saturación de agua irreducible, la permeabilidad relativa al agua y al gas en condiciones de Sw = 1,0 y Sg = 1-Sw irreducible respectivamente. [ cita necesaria ]
Para extraer el gas, se perfora un agujero revestido de acero en la veta de carbón de 100 a 1500 metros (330 a 4920 pies) bajo tierra. A medida que la presión dentro de la veta de carbón disminuye debido a la producción natural o al bombeo de agua desde el lecho de carbón, tanto el gas como el agua producida salen a la superficie a través de tuberías. Luego, el gas se envía a una estación compresora y a ductos de gas natural. El agua producida se reinyecta en formaciones aisladas, se libera en arroyos, se utiliza para riego o se envía a estanques de evaporación. El agua normalmente contiene sólidos disueltos como bicarbonato de sodio y cloruro , pero varía según la geología de la formación. [12]
Los pozos de metano en capas de carbón a menudo producen a tasas de gas más bajas que los yacimientos convencionales, típicamente alcanzando un máximo de cerca de 300.000 pies cúbicos (8.500 m 3 ) por día (aproximadamente 0,100 m³/s), y pueden tener grandes costos iniciales. Los perfiles de producción de los pozos CBM se caracterizan típicamente por una "disminución negativa" en la que la tasa de producción de gas aumenta inicialmente a medida que se bombea el agua y el gas comienza a desorberse y fluir. Un pozo CBM seco es similar a un pozo de gas estándar. [ cita necesaria ]
El proceso de desorción de metano sigue una curva (de contenido de gas versus presión del yacimiento) llamada isoterma de Langmuir . La isoterma se puede describir analíticamente mediante un contenido máximo de gas (a presión infinita) y la presión a la que existe la mitad de ese gas dentro del carbón. Estos parámetros (llamados volumen de Langmuir y presión de Langmuir, respectivamente) son propiedades del carbón y varían ampliamente. Un carbón en Alabama y un carbón en Colorado pueden tener parámetros Langmuir radicalmente diferentes, a pesar de que las propiedades del carbón son similares. [ cita necesaria ]
A medida que la producción se produce a partir de un yacimiento de carbón, se cree que los cambios de presión provocan cambios en la porosidad y permeabilidad del carbón. Esto se conoce comúnmente como contracción/hinchazón de la matriz. A medida que el gas se desorbe, la presión ejercida por el gas dentro de los poros disminuye, lo que hace que se reduzcan de tamaño y restringe el flujo de gas a través del carbón. A medida que los poros se contraen, la matriz general también se contrae, lo que eventualmente puede aumentar el espacio por el que puede viajar el gas (los listones), aumentando el flujo de gas. [ cita necesaria ]
El potencial de un yacimiento de carbón en particular como fuente de CBM depende de los siguientes criterios. Densidad/intensidad de los listones: los listones son juntas confinadas dentro de láminas de carbón. Dan permeabilidad a la veta de carbón. Se requiere una alta densidad de tacos para una explotación rentable del CBM. También es importante la composición del maceral: el maceral es una entidad petrográfica microscópica, homogénea, de una roca sedimentaria correspondiente. Una composición alta en vitrinita es ideal para la extracción de CBM, mientras que la inertinita dificulta lo mismo. [ cita necesaria ]
El rango del carbón también se ha relacionado con el contenido de CBM: se ha descubierto que una reflectancia de vitrinita del 0,8% al 1,5% implica una mayor productividad del lecho de carbón. [ cita necesaria ]
Se debe tener en cuenta la composición del gas, porque los aparatos de gas natural están diseñados para gas con un poder calorífico de aproximadamente 1.000 BTU ( unidades térmicas británicas ) por pie cúbico, o metano casi puro. Si el gas contiene más de un pequeño porcentaje de gases no inflamables, como nitrógeno o dióxido de carbono , será necesario eliminarlos o mezclarlo con gas de mayor BTU para lograr la calidad de la tubería . Si la composición de metano del gas del lecho de carbón es inferior al 92%, es posible que no sea comercialmente comercializable. [ cita necesaria ]
Como ocurre con todos los combustibles fósiles basados en carbono, la quema de metano en capas de carbón libera dióxido de carbono (CO 2 ) a la atmósfera. Su efecto como gas de efecto invernadero fue analizado por primera vez por el químico y físico Svante Arrhenius . La producción de CBM también implica fugas de metano fugitivo a la atmósfera. Se estima que el metano tiene 72 veces más efecto sobre el calentamiento global por unidad de masa que el CO 2 en 20 años, reduciéndose a 25 veces en 100 años y 7,5 veces en 500 años. [13] El análisis del ciclo de vida de las emisiones de gases de efecto invernadero de las fuentes de energía indica que la generación de electricidad a partir de CBM, al igual que con el gas natural convencional, tiene menos de la mitad del efecto de gases de efecto invernadero que el carbón. [14]
Múltiples estudios australianos han indicado los efectos ambientales negativos a largo plazo de la extracción de gas de vetas de carbón, tanto a nivel local como global. [15] [16] [17] [18] [19]
En Estados Unidos, el metano que se escapa del carbón durante la minería representa el siete por ciento del total de las emisiones de metano . [20] La recuperación del metano de las minas de carbón antes de la minería se considera una gran oportunidad para reducir las emisiones de metano. [ cita necesaria ] Empresas como CNX Resources tienen programas de reducción de metano para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de minas activas y cerradas. [21]
Los pozos CBM están conectados por una red de caminos, tuberías y estaciones compresoras. Con el tiempo, es posible que los pozos se espacien más estrechamente para extraer el metano restante.
El agua producida que sale a la superficie como subproducto de la extracción de gas varía mucho en calidad de una zona a otra, pero puede contener concentraciones indeseables de sustancias disueltas como sales , sustancias químicas presentes de forma natural, metales pesados y radionúclidos . [22] En muchas regiones productoras el agua se trata, por ejemplo a través de una planta de ósmosis inversa , y se utiliza de manera beneficiosa para riego, agua para ganado, usos urbanos e industriales o supresión de polvo.
En 2012, Eastern Star Gas fue multada por "verter agua contaminante que contenía altos niveles de sal en Bohena Creek" en Pilliga Scrub. [23] Hubo "16 derrames o fugas de agua contaminada", incluidos "derrames graves de agua salina en un bosque y un arroyo". [24] En 2012, una investigación del Consejo Legislativo de Nueva Gales del Sur [25] criticó el uso de estanques de retención abiertos y recomendó que "el gobierno de Nueva Gales del Sur prohibiera el almacenamiento abierto del agua producida". [25] [26]
No toda el agua producida con metano en capas de carbón es salina o indeseable. El agua de los pozos de metano de carbón en la cuenca del río Powder de Wyoming, EE. UU., normalmente cumple con los estándares federales de agua potable y se usa ampliamente en el área para dar agua al ganado. [27] Su uso para riego está limitado por su relación de adsorción de sodio relativamente alta .
Dependiendo de la conectividad de los acuíferos, la extracción de agua puede deprimir los acuíferos en un área grande y afectar los flujos de agua subterránea. [28] En Australia, la industria CBM estima una extracción de 126.000 millones de litros (3,3 × 10 10 galones estadounidenses) a 280.000 millones de litros (7,4 × 10 10 galones estadounidenses) de agua subterránea por año; mientras que la Comisión Nacional del Agua estima una extracción superior a los 300.000 millones de litros (7,9 × 10 10 galones estadounidenses) al año. [22]
En 2012, Aspen Skiing Company construyó una planta de conversión de metano a electricidad de 3 megavatios en Somerset, Colorado, en la mina Elk Creek de Oxbow Carbon. [29]
Los recursos de Coal Veam Gas se encuentran en las principales cuencas de carbón de Queensland y Nueva Gales del Sur, con otros recursos potenciales en Australia del Sur. La recuperación comercial de gas de vetas de carbón (CSG) comenzó en Australia en 1996. En 2014, el gas de vetas de carbón, de Queensland y Nueva Gales del Sur, representaba alrededor del diez por ciento de la producción de gas de Australia. Las reservas demostradas se estimaron en 33 billones de pies cúbicos (35 905 petajulios) en enero de 2014. [30]
En Canadá, se estima que Columbia Británica tiene aproximadamente 90 billones de pies cúbicos (2,5 billones de metros cúbicos) de gas de carbón. Alberta , en 2013, era la única provincia con pozos comerciales de metano de carbón y se estima que tenía aproximadamente 170 billones de pies cúbicos (4,8 billones de metros cúbicos) de metano de carbón económicamente recuperable, con reservas totales que totalizan hasta 500 billones de pies cúbicos (14 billones de metros cúbicos). metros). [31] [32]
El metano de las capas de carbón se considera un recurso no renovable , aunque el Consejo de Investigación de Alberta , el Servicio Geológico de Alberta y otros han argumentado que el metano de las capas de carbón es un recurso renovable porque la acción bacteriana que formó el metano está en curso. [ cita necesaria ] Esto está sujeto a debate ya que también se ha demostrado que la deshidratación que acompaña a la producción de CBM destruye las condiciones necesarias para que las bacterias produzcan metano [33] y la tasa de formación de metano adicional es indeterminada. Este debate está provocando actualmente un problema de derecho de propiedad en la provincia canadiense de Alberta , ya que la provincia solo puede poseer legalmente recursos no renovables. [34]
Aunque se ha estimado que el gas existente en los yacimientos de carbón de Gran Bretaña asciende a 2.900 millones de metros cúbicos, es posible que tan solo el uno por ciento sea económicamente recuperable. El potencial de Gran Bretaña en materia de medidas de fomento de la confianza aún no se ha puesto a prueba. Parte del metano se extrae mediante operaciones de ventilación de minas de carbón y se quema para generar electricidad. La evaluación por parte de la industria privada de pozos de metano en capas de carbón independientes de la minería comenzó en 2008, cuando se emitieron 55 licencias de exploración terrestres, que cubrían 7.000 kilómetros cuadrados de áreas potenciales de metano en capas de carbón. IGas Energy se convirtió en la primera en el Reino Unido en extraer comercialmente metano de yacimientos de carbón por separado del venteo de la mina; En 2012, los pozos de metano de lecho de carbón de Igas en Doe Green, que extraen gas para generación eléctrica, eran los únicos pozos comerciales de CBM en el Reino Unido. [35] El uso de CBM (en GWh) para la generación de electricidad en el Reino Unido se muestra como se muestra. [36]
La producción de metano de capas de carbón de Estados Unidos en 2017 fue de 1,76 billones de pies cúbicos (TCF), el 3,6 por ciento de toda la producción de gas seco de Estados Unidos ese año. La producción de 2017 fue inferior al máximo de 1,97 TCF en 2008. [37] La mayor parte de la producción de CBM provino de los estados de las Montañas Rocosas de Colorado, Wyoming y Nuevo México.
Según los profesionales de la industria, Kazajstán podría ser testigo del desarrollo de un gran sector de metano de yacimientos de carbón (CBM) en las próximas décadas. [38] La investigación preliminar sugiere que puede haber hasta 900 mil millones de m3 de gas en las principales yacimientos de carbón de Kazajstán: el 85% de todas las reservas de Kazajstán.
Great Eastern Energy (GEECL) fue la primera empresa con un plan de desarrollo de campo aprobado. Con la finalización de la perforación de 23 pozos de producción verticales por parte de GEECL, el metano de capas de carbón estuvo disponible comercialmente en la India el 14 de julio de 2007 con un precio de GNC de 30 rupias por kg. Inicialmente, el 90% del CBM se distribuiría como gas GNC para alimentar vehículos.
GEECL es responsable de la primera estación CBM del sudeste asiático y también está ubicando una en la ciudad de Asansol , en Bengala Occidental .
Prashant Modi, presidente y director de operaciones de GEECL, dijo: "Dado que la nación requiere mayores fuentes de energía para sostener su ritmo de desarrollo, confiamos en que CBM desempeñará un papel importante como una de las principales fuentes de energía para las generaciones futuras". [39]
La cartera CBM de Essar Oil and Gas Exploration and Production Ltd. de Essar Group incluye 5 bloques. Actualmente, sólo uno de ellos, Raniganj East, está operativo. Los otros incluyen Rajmahal en Jharkhand, Talcher e Ib Valley en Odisha y Sohagpur en Madhya Pradesh. Los cinco bloques poseen aproximadamente 10 billones de pies cúbicos (CBF) de reservas de CBM.
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